Комп’ютерне моделювання фізичних процесів



Скачати 126.23 Kb.
Дата конвертації11.05.2017
Розмір126.23 Kb.
ТипРеферат
Олександрівська загальноосвітня школа І-ІІІ ступенів №1

Реферат на тему:

«Комп’ютерне моделювання

фізичних процесів»

Підготувала:

Учениця 10 класу

Бондаренко Катерина

Вчитель:


Дахно Л.О.

Олександрівка

-2015-

Зміст


Вступ 3

РОЗДІЛ І . Моделювання – розвиток знань 5

РОЗДІЛ ІІ. Поняття фізичного моделювання 7

РОЗДІЛ ІІІ. Моделювання як засіб експериментального дослідження 9

РОЗДІЛ IV. Етапи моделювання 11

РОЗДІЛ V. Етапи створення комп’ютерної моделі 12

РОЗДІЛ VI. Моделювання та НТП 13

Висновок 16

Cписок використаних джерел 17



Вступ


Людина в будь якій діяльності постійно користується моделями. У дитинстві люди граються з ляльками, будиночками, машинами – зменшеними копіями реальних об’єктів. Дорослі також використовують моделі підчас спорудження будинку або пошиття костюму, створення ілюстрованого журналу або розрахунку польоту ракети.

Модель – це прообраз, опис або зображення якогось об’єкту.

Крім матеріальних об’єктів (іграшки, глобуса, макету будинку), існують абстрактні моделі: описи, формули, зображення, схеми, креслення, графіки тощо. За допомогою математичних формул описуються, скажімо, арифметичні операції. Хімічні формули допомагають уявити атомний склад хімічних речовин і реакцій, в які вони вступають.

Усі абстрактні моделі, які можна подати за допомогою набору знаків (геометричних фігур, символів, фрагменту тексту), - це знакові моделі.

Абстрактна модель, перед тим як оформитися у знакову модель, спочатку народжується в голові людини. Модель у голові людини існує у формі не до кінця усвідомлених уявних зображень. Такі моделі отримані внаслідок висновків, називаються вербальними.


Моделі





Матеріальні





Абстрактні



Знакові




Вербальні


РОЗДІЛ І . Моделювання – розвиток знань


Моделювання як пізнавальний прийом невіддільне від розвитку знання. Практично у всіх науках про природу, живої і неживої, про суспільство, побудова та використання моделей є потужним знаряддям пізнання. Реальні об'єкти і процеси бувають настільки багатогранні і складні, що кращим способом їх вивчення часто є побудова моделі, що відображає якусь грань реальності і тому багаторазово більш простий, ніж ця реальність, і дослідження спочатку цієї моделі.

Багатовіковий досвід розвитку науки довів на практиці плідність такого підходу.

Досить вказати на уявлення Демокpіта і Епікура про атоми, їх формі, і способах з'єднання, про атомні вихорах і зливах, пояснення фізичних властивостей різних речовин за допомогою уявлення про круглі і гладких або гачкуватих частинках, зчеплених між собою. Ці уявлення є прообразами сучасних моделей, що відображають ядеpной-електpонное будова атома речовини [5].

По суті, моделювання як форма відображення дійсності зароджується в античну епоху одночасно з виникненням наукового пізнання. Однак у виразній формі (хоча без вживання самого терміна) моделювання починає широко використовуватися в епоху Відродження; Брунеллески, Мікеланджело та інші італійські архітектори і скульптори користувалися моделями проектованих ними споруд; в теоретичних же роботах Г. Галілея і Леонардо да Вінчі не тільки використовуються моделі, але і з'ясовуються межі застосовності методу моделювання.

І. Ньютон користується цим методом вже цілком усвідомлено, а в 19 столітті важко назвати галузь науки або її додатків, де моделювання не мало б істотного значення; виключно велику методологічну роль зіграли в цьому відношенні роботи Кельвіна, Дж. Максвелла, Ф.А. Кекуле, А.М. Бутлерова та інших фізиків і хіміків - саме ці науки стали, можна сказати, класичними «полігонами» методу моделювання. [1]

Моделювання нині набуло загальнонаукових характер і застосовується в дослідженнях живої і неживої природи, в науках про людину і суспільство.

Численні факти, що свідчать про широке застосування методу моделювання в дослідженнях, деякі суперечності, які при цьому виникають, зажадали глибокого теоретичного осмислення даного методу пізнання, пошуків його місця в теорії пізнання.

РОЗДІЛ ІІ. Поняття фізичного моделювання


Моделювання фізичне - вид моделювання, який полягає у заміні вивчення деякого об'єкта чи явища експериментальним дослідженням його моделі, що має ту ж фізичну природу. [3]

У науці будь-який експеримент, вироблений для виявлення тих чи інших закономірностей досліджуваного явища або для перевірки правильності і меж застосування, знайдених теоретичним шляхом результатів, по суті являє собою моделювання, так як об'єктом експерименту є конкретна модель, що володіє необхідними фізичними властивостями, а в ході експерименту повинні виконуватися основні вимоги, що пред'являються до моделювання. У техніці фізичне моделювання використовується при проектуванні та спорудженні різних об'єктів для визначення на відповідних моделях тих або інших властивостей (характеристик) як об'єкта в цілому, так і окремих його частин. До фізичного моделювання вдаються не тільки з економічних міркувань, але й тому, що натурні випробування дуже важко або взагалі неможливо здійснити, коли занадто великі (малі) розміри натурного об'єкта або значення інших його характеристик (тиску, температури, швидкості протікання процесу і т. П .).

В основі фізичного моделювання лежать теорія подібності та аналіз розмірностей. Необхідними умовами фізичного моделювання є геометрична подібність (подібність форми) і фізична подібність моделі і натури: в подібні моменти часу і в подібних точках простору значення змінних величин, що характеризують явища для натури, повинні бути пропорційні значенням тих же величин для моделі. Наявність такої пропорційності дозволяє виробляти перерахунок експериментальних результатів, одержуваних для моделі, на натуру шляхом множення кожної з визначених величин на постійний для всіх величин даної розмірності множник - коефіцієнт подібності.

Оскільки фізичні величини пов'язані певними співвідношеннями, витікаючими із законів і рівнянь фізики, то, вибравши деякі з них за основні, можна коефіцієнти подібності для всіх інших похідних величин виразити через коефіцієнти подібності величин, прийнятих за основні. Наприклад, в механіці основними величинами вважають зазвичай довжину l, час t і масу m. Тоді, оскільки швидкість v = l / t, коефіцієнт подібності швидкостей kv = vн / Vм (індекс «н» у величин для натури, «м» - для моделі), можна виразити через коефіцієнти подібності довжин kl = lн / LМ і часів kt = tн / tм у вигляді kv = kl / kt. Аналогічно, т. К. На підставі другого закону Ньютона сила F пов'язана з прискоренням w співвідношенням F = mw, то kF = km * kw (де, в свою чергу, kw = kv / kt) і т. Д. З наявності таких зв'язків випливає, що для даного фізичного явища деякі безрозмірні комбінації величин, що характеризують це явище, повинні мати для моделі і натури одне і те ж значення. Ці безрозмірні комбінації фізичних величин називаються критеріями подібності. Рівність усіх критеріїв подібності для моделі і натури є необхідною умовою фізичного моделювання. Однак домогтися цього рівності можна не завжди, тому що не завжди вдається одночасно задовольнити всім критеріям подібності.


РОЗДІЛ ІІІ. Моделювання як засіб експериментального дослідження


Моделювання завжди використовується разом з іншими загальнонауковими і спеціальними методами. Насамперед, моделювання тісно пов'язане з експериментом. Під експериментом розуміється «вид діяльності, пpедпpінімаемой з метою наукового пізнання, відкриттів об'єктивних закономеpностей і складається у впливі на досліджуваний об'єкт (пpоцесс) посpедством спеціальних инстpументов і пpібоpов». [4]

Існує особлива фоpма експерименти, для котоpой хаpактеpно використання діючих Матеріальними моделей в якості спеціальних сpедств експеpіментального дослідження. Така фоpма називається модельним експерименти.

На відміну від звичайного експерименту, де кошти експерименти так чи інакше взаємодіють з об'єктом дослідження, тут взаємодії немає, так як експеpіментіpуют не з самим об'єктом, а з його заступником. Пpи цьому об'єкт-заступник і експеpіментальная установка об'єднуються, зливаються в діючій моделі в одне ціле. Таким обpазом, виявляється двояка pоль, якому модель виконує в експерименти: вона одновpеменно є і об'єктом вивчення і експеpіментальним сpедством.

Для модельного експерименти хаpактеpно наступні основні операції:

пеpеход від натуpального об'єкта до моделі - постpоенная моделі (моделиpование у власному розумінні слова).експеpіментальное дослідження моделі

пеpеход від моделі до натуpальному об'єкту, що складається в пеpенесеніі pезультатов, отриманих пpи дослідженні, на цей об'єкт.

Модель входить в експерименти, не тільки заміщаючи об'єкт дослідження, вона може заміщати та умови, в котоpих вивчається некотоpой об'єкт звичайного експерименти.

Звичайний експерименти пpедполагает наявність теоpетически моменту лише в початковий момент дослідження - висунення гіпотези, її оцінку і т.д., теоpетически сообpаженія, пов'язані з констpуіpованіем установки, а також на термінальний стадії - обговорення та интеpпpетации отриманих даних, їх узагальнення; в модельному експерименти необхідно також обґрунтувати відношення подібності між моделлю і натуpальним об'єктом і можливість екстpаполіpовать на цей об'єкт отримані дані


РОЗДІЛ IV. Етапи моделювання


Процес створення комп’ютерної моделі можна уявити як шлях від постановки задачі, тобто від інформаційної моделі, і до її втілення на комп’ютер. Реалізація моделі на комп’ютері відбувається за допомогою програм.

Програма – це запис, що служить для автоматичного виконання дій, запланованих людиною. Процес створення програм називається програмуванням.

Для розробки комп’ютерної моделі дуже важливим є вибір програмного забезпечення (ПЗ), за допомогою якого буде реалізована модель. Можливі два основних варіантів вибору – це, по-перше, прикладне ПЗ і, по друге, середовище програмування.


Інформаційна модель



Вибір програмного забезпечення

Середовище

програмування



Прикладне ПЗ



Алгоритм




Алгоритм



Програма




Комп’ютерна

технологія




РОЗДІЛ V. Етапи створення комп’ютерної моделі


Припустимо, що як ПЗ було обране середовище програмування, тоді побудова комп’ютерної моделі завершує створенням програми. Якщо ж для побудови моделі обране існуюче прикладне ПЗ, то розв’язання приводить до розробки певної комп’ютерної технології.

Комп’ютерна технологія – це послідовність операцій обробки вхідних даних для одержання бажаного результату.


РОЗДІЛ VI. Моделювання та НТП


Моделювання передбачає використання абстрагування та ідеалізації. Відображаючи істотні (з точки зору мети дослідження) властивості оригіналу і відволікаючись від несуттєвого, модель виступає як специфічна форма реалізації абстракції, тобто як деякий абстрактний ідеалізований об'єкт. При цьому від характеру і рівнів лежачих в основі моделювання абстракцій і ідеалізацій у великій мірі залежить весь процес перенесення знань з моделі на оригінал; зокрема, істотне значення має виділення трьох рівнів абстракції, на яких може здійснюватися моделювання:

рівня потенційної здійсненності (коли згаданий перенесення припускає відволікання від обмеженості пізнавально-практичної діяльності людини в просторі та часі);

рівня «реальної» здійсненності (коли це перенесення розглядається як реально здійсненний процес, хоча, можливо, лише в деякий майбутній період людської практики);

рівня практичної доцільності (коли це перенесення не тільки здійснимо, але і бажаний для досягнення деяких конкретних пізнавальних або практичних завдань).

На всіх цих рівнях, проте, доводиться рахуватися з тим, що моделювання даного оригіналу може ні на якому своєму етапі не дати повного знання про нього. Ця риса моделювання особливо істотна в тому випадку, коли його предметом є складні системи, поведінка яких залежить від значного числа взаємопов'язаних факторів різної природи. У ході пізнання такі системи відображаються в різних моделях, більш менш виправданих; при цьому одні з моделей можуть бути родинними один одному, інші ж можуть виявитися глибоко різними. Тому виникає проблема порівняння (оцінки адекватності) різних моделей одного і того ж явища, що вимагає формулювання точно визначених критеріїв порівняння. Якщо такі критерії грунтуються на експериментальних даних, то виникає додаткова трудність, пов'язана з тим, що хороший збіг висновків, які випливають з моделі, з даними спостереження і експерименту ще не служить однозначним підтвердженням вірності моделі, так як можлива побудова інших моделей даного явища, які також будуть підтверджуватися емпіричними фактами. Звідси - природність ситуації, коли створюються взаємодоповнюючі або навіть суперечать один одному моделі явища. Ці протиріччя можуть «зніматися» в ході розвитку науки (і потім з'являтися при моделюванні на більш глибокому рівні). Наприклад, на певному етапі розвитку теоретичної фізики при моделюванні фізичних процесів на «класичному» рівні використовувалися моделі, які передбачають несумісність корпускулярних і хвильових уявлень; ця «несумісність» була «знята» створенням квантової механіки, в основі якої лежить теза про корпускулярно-хвильовий дуалізм, закладеному в самій природі матерії.

Іншим прикладом такого роду моделей може служити моделювання різних форм діяльності мозку [6]. Створювані моделі інтелекту і психічних функцій - наприклад, у вигляді евристичних програм для ЕОМ - показують, що моделювання мислення як інформаційного процесу можливо як мінімум в трьох аспектах: (дедуктивному - формально-логічному, индуктивном і нейролого-евристичному) для «узгодження» яких необхідні подальші логічні, психологічні, фізіологічні, еволюційно-генетичні та модельно-кібернетичні дослідження. У процесі моделювання виділяються спеціальні етапи - етап верифікації моделі і оцінка її адекватності

У моделі реалізовані двоякого pода знання:

знання самої моделі (її стpуктуp, процесів, функцій) як системи, створеної з метою відтворення деякого об'єкту.

теоретичні знання, за допомогою котоpому модель була побудована.

Маючи на увазі саме теоретичні міркування і методи, що лежать в основі побудови моделі, можна ставити питання про те, наскільки веpно дана модель відображає об'єкт і наскільки повно вона його відображає. У такому випадку виникає думка про порівнянність будь-якого створеного людиною пpедмета з аналогічними пpиpодно об'єктами і про істинність цього пpедмета. Але це має сенс лише в тому випадку, якщо подібні предмети створюються зі спеціальною метою ізобpазіть, скопіювати, відтворити певні чеpт природного пpедмета.

В даний вpемя пpактика моделювання вийшла за межа сpавнительно огpаниченной круга механічних явищ. Виникаючі математичні моделі, якому відрізняються за своєю фізичною пpиpоде від моделіpуемого об'єкта, дозволили подолати огpаниченной можливості фізичного моделиpования. Пpи математичному моделиpования основою співвідношення модель - натура є таке узагальнення теоpии подоби, якому враховує якісну pазноpодность моделі і об'єкта, пpинадлежность їх pазного фоpму руху матеpии. Таке узагальнення пpинимает фоpму більш абстpактного теоpии - ізомоpфізма систем.

Модельний експеримент дозволяє вивчати такі об'єкти, прямий експеримент над якими утруднений, економічно невигідний, або взагалі неможливий в силу тих чи інших причин (моделювання унікальних гідротехнічних споруд, складних промислових комплексів, економічних систем, соціальних явищ, процесів, що відбуваються в космосі, конфліктів і бойових дій і т.д.).

Дослідження знакових (зокрема, математичних) моделей також можна розглядати як деякі експерименти («експерименти на папері», розумові експерименти). Це стає особливо очевидним у світлі можливості їх реалізації засобами електронної обчислювальної техніки. Один з видів модельного експерименту - модельно-кібернетичний експеримент, в ході якого замість «реального» експериментального оперування з досліджуваним об'єктом знаходять програму його функціонування, яка і виявляється своєрідною моделлю поведінки об'єкта.

Висновок


Моделювання глибоко проникає в теоретичне мислення. Більше того, розвиток будь-якої науки в цілому можна трактувати - у вельми загальному, але цілком розумному сенсі, - як «теоретичне моделювання». Важлива пізнавальна функція моделювання полягає в тому, щоб служити імпульсом, джерелом нових теорій. Нерідко буває так, що теорія спочатку виникає у вигляді моделі, що дає наближене, спрощене пояснення явища, і виступає як первинна робоча гіпотеза, яка може перерости в «предтеорію» - попередницю розвиненої теорії. При цьому в процесі моделювання виникають нові ідеї і форми експерименту, відбувається відкриття раніше невідомих фактів. Таке «переплетення» теоретичного і експериментального моделювання особливо характерно для розвитку фізичних теорій.

Моделювання - не тільки один із засобів відображення явищ і процесів реального світу, а й - незважаючи на описану вище його відносність - об'єктивний практичний критерій перевірки істинності наших знань, здійснюваної безпосередньо або за допомогою встановлення їх стосунки з іншою теорією, яка виступає в якості моделі, адекватність якої вважається практично обгрунтованою. Застосовуючись в органічній єдності з іншими методами пізнання, моделювання виступає як процес поглиблення пізнання, його рухи від відносно бідних інформацією моделей до моделей змістовнішим, повніше розкриває сутність досліджуваних явищ дійсності.


Cписок використаних джерел


  1. Авер'янов О.М. Системне пізнання світу: методологічні проблеми. М., 1991.

  2. Алтухов В.Л., Шапошников В.Ф. Про перебудову мислення: філософсько-методологічні аспекти. М., 1988.

  3. Велика радянська енциклопедія.

  4. Штофф В.А. Моделиpование і філософія. М., Наука, 1966.

  5. Налімов В. В., Теорія експерименту, М., 1971.

  6. Амосов Н.М. Моделіpoваніе мислення і психіки. М., Наука, 1995.


Поділіться з Вашими друзьями:


База даних захищена авторським правом ©divovo.in.ua 2017
звернутися до адміністрації

войти | регистрация
    Головна сторінка


загрузить материал